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왜 CMP가 필수인가 – 다층 배선과 Damascene을 가능하게 한 평탄화 기술 본문
왜 평탄화가 필요한가?
현대 반도체는 수십 개의 금속 배선층과 수 나노미터 수준의 패턴을 동시에 구현한다.
해상도는 극한까지 끌어올렸고, EUV와 고 NA 광학 시스템은 이제 수십 nm 수준의 공정 윈도우에서 동작하고 있다.
Ai의 등장으로 인해 이러한 기술의 발전은 더 가속화되고 있다.
대표적인 예로 HBM. 메모리 다이를 적층 하는 구조다.
그래서, 한 가지 질문이 생긴다.
"이렇게 공정들이 정밀한데, 그럼 과연 울퉁불퉁한 표면 위에서도 정확하게 정확하게 잘 동작할 수 있을까?"
리소그래피는 빛을 이용한 공정이다.
빛은 초점이 이상해지면 흐려지고 패턴은 왜곡된다.
이 초점 허용 범위를 피사계 심도(Depth of focus, DOF)라 한다.
문제는, 해상도가 높아질수록 DOF가 줄어든다는 점이다.
아주 작은 글씨를 쓰려면 펜 촉을 가늘게 해야 한다.
하지만 촉이 가늘어질수록 종이의 거칠기에 더 민감해진다.
반도체 공정도 같다. 해상도를 높이면 피사계 심도(DOF)는 감소하고,
웨이퍼의 미세한 단차조차 패턴 정확도를 흔들게 된다.
즉, 미세화는 공정을 더욱 정밀하게 만들었지만 동시에 표면 높이
오차에 대한 허용 범위를 급격히 줄여 버렸다.
그리고 바로 이 지점에서 CMP가 등장한다.
CMP는 단순한 평탄화 공정이 아니다.
고해상도 공정이 성립하기 위한 전제 조건이다.
그 이유들에 대해 알아보자.
이유 1. Litho CD 변동과 Overlay 리스크
그림 1을 보면 주위 사물은 흐릿하지만 유독 고양이만 잘 보인다.
왜?
초점이 맞아서다.
카메라 원리를 반도체 글에서 언급하는 이유가 뭘까?
매우 명확한 이유가 있다.
리소그래피(Lithography)에서 아주 중요하게 다뤄지는 피사계 심도(depth-of-focus, DOF)때문이다.
그림 1의 초점원리를 좀 더 시각적으로 해석하는 그림 2를 보자.
후처리 과정은 차치하고 이론적으로만 보자.
카메라 무빙, 빛의 변화 등, 각종 변화에도 불구하고 점 P2의 초점이 잘 유지가 되고 있다.
이는 피사계 심도(DOF)가 크다는 것을 의미한다.
왜 이런 내용을 리소그래피에서 중요하게 여기는 걸까?
해상도와 DOF는 각각 다음과 같이 표현된다.
\[
Resolution \approx \frac{k_1 \lambda}{NA}
\]
\[
DOF \approx \frac{k_2 \lambda}{NA^2}
\]
따라서 NA를 높이면,
\[
NA \uparrow \Rightarrow Resolution \downarrow
\]
\[
NA \uparrow \Rightarrow DOF \downarrow^2
\]
NA : 렌즈의 빛 모으는 능력
당연히, 카메라에서 DOF가 높아진다면 좋은 게 좋은 거니 좋은 거다.
하지만, 반도체 공정에선 작은 물체를 잘 봐야 한다.
작은 물체를 보다 잘 포착하려다 보니, 물리적으로 DOF가 줄어드는 필연이 존재했다.
그래서 리소그래피에서는 중요하게 보는 것은,
DOF를 높이는 것이 아니라, 해상도(Resolution)를 높일수록 DOF가 줄어버리는 물리적 Trade-off를 관리하는 것이다.
자, 리소그래피 하기 전의 아주 반들반들 대머리 웨이퍼 표면을 상상해 보자.
패턴을 심으려면 리소그래피 해야 한다.
근데 만약, 웨이퍼의 표면이 여드름난 피부처럼 울퉁불퉁하다면?
초점 거리를 벗어난 여드름 꼭대기나 깊은 구멍에서의 패턴은 아주 흐릿할 것이다.
반도체 공정에서의 EUV / 고 NA 공정은 DOF의 정도가 수십 nm 수준을 자랑한다.
즉, 단차가 50~100nm만 생겨도 CD shift 발생 가능하다.
하지만 리소그래피 공정에서 중요한 것은 단순 DOF가 아니다.
실제 공정에서는 다음과 같은 Focus Budget 개념으로 접근한다.
\[
Focus\;Budget = DOF - (Topography + Warp + Overlay)
\]
- Wafer warp
- Overlay 오차
- Scanner leveling 오차
결국 CMP가 허용받을 수 있는 평탄도 마진은, 이 전체 예산 중 일부에 불과하다.
흙에 비유하자면,
- 흙이 쌓여 있음 → Topography (단차)
- 깎는 행위 → CMP
- 얼마나 깎아도 되느냐 → Focus Budget 내 허용 범위
가 된다.
따라서 해상도가 증가해 DOF가 줄어들수록,
CMP가 관리해야 할 평탄도 스펙은 더욱 엄격해진다.
요약하자면, DOF 감소는 광학 미세화의 결과이며,
CMP는 그 줄어든 DOF 안에서 공정이 가능하도록 평탄도를 확보하는 선행 제어 공정이다.
이유 2. Conformal deposition → topography 누적
리소그래피에서는 DOF가 줄어드는 것은 물리적 한계이다.
문제는 이 웨이퍼 표면을 인간이 가만히 두지 않는다는 것이다.
패턴을 형성하고 층을 쌓는 것을 반복하는 것이 일반적인 공정이다.
이 개념을 Conformal deposition. 기존 구조 형상을 그대로 따라가며 균일하게 막이 형성되는 특성을 말한다.
Conformal deposition의 물리적 결과.
예를 들어 보자.
- 1차 금속 패턴이 형성되어 단차가 생긴다.
- 그 위에 CVD로 절연막(ILD)을 증착한다.
- 이 막은 기존 패턴을 따라 동일한 단차를 유지한 채 두꺼워진다.
단차가 사라지는 것이 아니라
그 형태가 위로 그대로 복사(copy)된다.
이 과정은 한 번으로 끝나지 않는다.
- 식각으로 생긴 단차
- 금속 매립 후 잔여 overburden
- 밀도 차이로 인한 국부 두께 차이
들이 누적된다.
결과적으로,
Conformal deposition은 단차를 제거하지 않는다.
오히려 layer-by-layer로 topography를 축적시킨다.
CMP는 단순한 평탄화 공정이 아니다.
Conformal deposition으로 누적된 topography를
각 층마다 “리셋(reset)”하는 공정이다.
요약하자면, Conformal deposition은 단차를 복사하고,
CMP는 그 누적을 끊어내는 공정이다.
현대 반도체는 단일 금속층 구조가 아니다.
M1–M2–M3와 같은 다층 배선 구조(BEOL stack)로 구성된다.
이 잔여 단차는 다음 층 증착 시 Conformal deposition 특성에 의해 그대로 전달된다.
이를 Multilevel interconnect. 단차 누적이라 한다.
Conformal deposition은 단차를 보존하는 물리적 메커니즘이며,
Multilevel interconnect 구조는 이 단차를 반복적으로 적산시키는 환경이다.
따라서 CMP는 각 층에서 누적을 제어하기 위한 필수 공정이다.
- Conformal deposition = 단차 보존 메커니즘
- Multilevel structure = 단차 적산 구조
- CMP = 누적 제어 장치
“고해상도(high Resolution) 공정일수록 CMP는 선택이 아니라 필수다.”
긴 글 읽어 주셔서 감사합니다.
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